ＲＦＩＤＲＦＩＤ車運(yùn)行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

[摘要]文章簡要介紹射頻識別技術(shù)(RFID)的原理、分類和應(yīng)用，說明在我國CTCS-2級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中，RFID技術(shù)被應(yīng)用到實(shí)現(xiàn)列控車載設(shè)備和地面設(shè)備之間的通信。最后，詳細(xì)闡述車地信息傳輸?shù)闹饕O(shè)備地面應(yīng)答器的結(jié)構(gòu)、功能以及工作方式。

[關(guān)鍵詞]RFID；CTCS-2；應(yīng)答器

[作者簡介]陳凱，西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院碩士研究生，研究方向：射頻通信，陜西 西安，710071

[中圖分類號]TN92 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1007-7723(2008)12-0019-0003

一、RFID系統(tǒng)概述

(一)RFID系統(tǒng)基本原理

RFID(Radio Frequency Identification)，即射頻識別技術(shù)，是20世紀(jì)90年代開始興起的一種自動識別技術(shù)。這項技術(shù)利用射頻信號通過空間耦合實(shí)現(xiàn)無接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)，從而達(dá)到目標(biāo)識別和遠(yuǎn)程監(jiān)控管理的目的。其核心技術(shù)包括無線電射頻通信、計算機(jī)軟件硬件、編碼學(xué)和大規(guī)模集成電路技術(shù)等多種現(xiàn)代高新科學(xué)技術(shù)，是多種跨門類科學(xué)技術(shù)的綜合體，被廣泛應(yīng)用于身份識別、倉儲物流、生產(chǎn)自動化、安全系統(tǒng)和交通系統(tǒng)，比如第二代身份證、門禁系統(tǒng)，自動收費(fèi)系統(tǒng)、高速列車控制設(shè)備等。

最基本的RFID硬件系統(tǒng)包括標(biāo)簽(Tag)、讀寫器(Reader)和天線(Antenna)三部分。標(biāo)簽由耦合元件和芯片組成，存儲著一個或多個數(shù)字信息序列。讀寫器的基本任務(wù)是觸發(fā)作為數(shù)據(jù)載體的射頻標(biāo)簽，接受標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)或向標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)，并能通過標(biāo)準(zhǔn)接口(如RS232等)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。RFID系統(tǒng)基本模型如圖1所示。由此模型可以看出，RFID系統(tǒng)的工作流程為：讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，等到標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，射頻標(biāo)簽獲得能量被激活；標(biāo)簽將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線接收到從標(biāo)簽發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫器，讀寫器對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼后送到后臺主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理；主系統(tǒng)判斷該標(biāo)簽的合法性，針對不同的信息做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。

(二)RFID系統(tǒng)的分類和應(yīng)用

通過對標(biāo)簽的不同方式的劃分，可以把RFID系統(tǒng)分為以下幾類：

1 按供能方式

根據(jù)其供能方式可分為有源和無源標(biāo)簽兩類。無源標(biāo)簽所需工作能量需要從讀寫器發(fā)出的射頻波束中獲取能量，經(jīng)過整流、存儲后提供電子標(biāo)簽所需的工作電壓。與有源標(biāo)簽相比，具有成本低、不需要維護(hù)、使用壽命長等特點(diǎn)。其缺點(diǎn)是讀寫器要發(fā)射更大的射頻功率、識別距離較近等。

2 按載波頻率分類

按標(biāo)簽載波頻率分為低頻射頻系統(tǒng)、中頻射頻系統(tǒng)和高頻射頻系統(tǒng)。低頻射頻系統(tǒng)頻率主要有125kHz和132.4kHz兩種；中頻射頻系統(tǒng)主要為13.56MHz；高頻射頻系統(tǒng)主要為433MHz、915MHz、2.45GHz、5.SGHz等。低頻系統(tǒng)主要用于短距離、低成本的應(yīng)用中，如多數(shù)的門禁控制、校園卡、貨物跟蹤等。中頻系統(tǒng)用于門禁控制和需要大量數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用系統(tǒng)；高頻系統(tǒng)應(yīng)用于需要較長的讀寫距離和高讀寫速度的場合。其天線波束方向較窄且價格較高，應(yīng)用于列車監(jiān)控、高速公路收費(fèi)等系統(tǒng)中。

3 按調(diào)制方式的不同分類

按調(diào)制方式的不同可分為主動式和被動式。主動式射頻標(biāo)簽用自身的射頻能量主動地發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器；被動式射頻標(biāo)簽使用調(diào)制散射方式發(fā)射數(shù)據(jù)，它必須利用讀寫器的載波來調(diào)制自己的信號。該類技術(shù)適合在門禁或交通系統(tǒng)中，因為讀寫器可以確保只激活一定范圍之內(nèi)的射頻標(biāo)簽。

RFID系統(tǒng)具有安全性高、數(shù)據(jù)信息量大、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。隨著軌道交通的發(fā)展，列車與地面之間需要交換大量固定信息和可變信息，僅依靠由軌道電路將閉塞信息送至列車的方式已不能滿足要求，尤其在一些特殊的場合，比如：進(jìn)出車站、區(qū)間信號點(diǎn)、彎道、坡度等。車載和地面之間需要其他傳輸信息的通道增加車載控制設(shè)備的參考數(shù)據(jù)以滿足列車安全、舒適運(yùn)營的要求。所以，RFID系統(tǒng)作為高速列車和地面之間傳輸信息的比較理想的方式，成為了軌道交通列車控制系統(tǒng)的重要組成部分，也是我國CTCS(中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng))指定使用的設(shè)備。

二、RFID在列車控制系統(tǒng)的應(yīng)用

(一)CTCS-2級列車控制系統(tǒng)中的RFID技術(shù)

目前，國內(nèi)鐵路地面與機(jī)車的信息傳遞大部分仍依靠軌道電路完成，我國自行研制開發(fā)的ZPW－2000(uM)系列軌道電路已在全路大面積裝備，具有18個低頻信息，但是單純依靠軌道電路信息已無法滿足進(jìn)一步提速對信號系統(tǒng)的技術(shù)要求。隨著第六次大提速的實(shí)施，速度將突破160km／h達(dá)到200～250km／h，鐵路系統(tǒng)必須擁有與之相適應(yīng)的列車控制設(shè)備。立足于我國的技術(shù)裝備，參照歐盟ETCS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，我國自主研發(fā)了完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、符合我國技術(shù)政策和鐵路運(yùn)輸需要的中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)CTCS-2級實(shí)施方案：在我國ZPW-2000(uM)系列自動閉塞軌道電路的基礎(chǔ)上，地面加裝點(diǎn)式應(yīng)答器、車站列控中心等，動車組上裝備列控車載設(shè)備，并與車站聯(lián)鎖、行車指揮等有機(jī)結(jié)合的實(shí)施方案。

CTCS－2級列控系統(tǒng)包括列控車載設(shè)備和列控地面設(shè)備。其中列控車載設(shè)備中的應(yīng)答器信息接受模塊(BTM)和列控地面設(shè)備中的應(yīng)答器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信功能利用的就是RFID技術(shù)。

(二)應(yīng)答器原理和結(jié)構(gòu)

根據(jù)《CTCS技術(shù)規(guī)范總則》，從CTCS-1級到CTCS－4級都要用到應(yīng)答器設(shè)備。因此，應(yīng)答器是鐵路既有線路提速改造和客運(yùn)專線中不可缺少的設(shè)備。應(yīng)答器設(shè)備向列控車載設(shè)備傳送以下信息：

(1)線路基本參數(shù)：如線路坡度、軌道區(qū)段等參數(shù)；

(2)線路速度信息：如線路最大允許速度、列車最大允許速度等；

(3)臨時限速信息：當(dāng)由于施工等原因引起的對列車運(yùn)行速度進(jìn)行限制時，向列車提供臨時限速信息；

(4)道岔信息：給出前方道岔側(cè)向允許列車運(yùn)行的速度；

(5)特殊定位信息：如升降弓、進(jìn)出隧道、鳴笛、列車定位等；

(6)其他數(shù)據(jù)：固定障礙物信息、列車運(yùn)行目標(biāo)數(shù)據(jù)、鏈接數(shù)據(jù)等。

應(yīng)答器地面設(shè)備由無源應(yīng)答器、有源應(yīng)答器、地面電子單元(LEU)組成：

無源應(yīng)答器用于發(fā)送固定不變的數(shù)據(jù)，如設(shè)置在區(qū)間，發(fā)送線路坡度、最大允許運(yùn)行速度、軌道電路參數(shù)、列控等級切換等信息。

有源應(yīng)答器與LEU連接，用于發(fā)送來自于LEU的報文，在既有的提速區(qū)段，有源應(yīng)答器設(shè)置在車站進(jìn)站端和出站端，主要發(fā)送進(jìn)路信息和臨時限速信息。

LEU周期接受來自于車站列控中心(TCC)的報文，并傳送給有源應(yīng)答器。

列控地面設(shè)備的應(yīng)答器安裝于兩根鋼軌之間的枕木上，平時處于休眠狀態(tài)，不要求外加電源。當(dāng)列車駛過應(yīng)答器時，列控車載設(shè)備首先通過電磁感應(yīng)方式將能量傳遞給應(yīng)答器，地面應(yīng)答器從整流電路取電開始工作。首先檢查與LEU之間的鏈接，將LEU傳來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成應(yīng)答傳輸報文循環(huán)發(fā)送應(yīng)答器信息接受模塊；在沒有收到LEU的數(shù)據(jù)情況下，將存儲的默認(rèn)報文發(fā)送給應(yīng)答器信息接受模塊。

應(yīng)答器與其他設(shè)備的連接主要由A接口和c接口完成。A接口是應(yīng)答器與列控車載設(shè)備無線傳輸接口，c接口是LEU與有源應(yīng)答器間報文傳輸接口。圖2所示就是應(yīng)答器的結(jié)構(gòu)模塊圖。

(三)車載設(shè)備與應(yīng)答器的通信過程

當(dāng)車載天線接近應(yīng)答器時，耦合線圈感應(yīng)到27MHz的磁場，能量接收電路將其轉(zhuǎn)化為電能，從而建立起應(yīng)答器工作需要的電源，此時，應(yīng)答器開始工作。應(yīng)答器在向列控車載設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)報文時，不間斷地將1023位傳輸報文發(fā)出。它采用頻移鍵控FSK方式：中心頻率4.234MHz，頻偏282.24kHz，平均傳輸速率為564.48kbit／s。當(dāng)要發(fā)送的數(shù)據(jù)是邏輯“0”時，對應(yīng)發(fā)送頻率為4.234MHz、282.24kHz、3.951MHz；當(dāng)要發(fā)送的是邏輯“1”時，對應(yīng)的發(fā)送頻率為4.234MHz、282.24kHz、4.516MHz。

應(yīng)答器控制模塊是整個電路的控制核心，當(dāng)電源建立后，它首先判斷由c接口來的數(shù)據(jù)是否有效，若該數(shù)據(jù)無效或無數(shù)據(jù)，控制模塊使用存儲在報文存儲器中的數(shù)據(jù)，將其進(jìn)行FSK調(diào)制后，輸出到數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，經(jīng)功率放大后，由耦合線圈發(fā)出。只要電源存在，控制模塊就不間斷地發(fā)送，這意味著車載天線一直在應(yīng)答器上方。

當(dāng)控制模塊上電時，判斷出c接口的數(shù)據(jù)有效，則控制模塊將發(fā)送c接口傳來的數(shù)據(jù)。一旦控制模塊作出報文選擇(選擇存儲的數(shù)據(jù)還是c接口傳來的數(shù)據(jù))，在這次上電的工作周期內(nèi)，無論c接口數(shù)據(jù)有效與否，應(yīng)答器都不會改變發(fā)送的數(shù)據(jù)。當(dāng)車載天線離開應(yīng)答器上方后，應(yīng)答器失去了電源，便停止發(fā)送數(shù)據(jù)。C接口的工作電源僅用于該接口的電路部分，不給控制模塊和數(shù)據(jù)收發(fā)供電。因此，有源應(yīng)答器也只有在車載天線出現(xiàn)時才發(fā)送數(shù)據(jù)。有源應(yīng)答器通過與LEU的連接，可實(shí)時改變傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報文。當(dāng)與LEU通信故障時(接口“c”故障)，有源應(yīng)答器可以自動切換到無源應(yīng)答器的工作模式，發(fā)送預(yù)先存儲在應(yīng)答器中的默認(rèn)報文。

此外，應(yīng)答器還可以通過報文讀寫工具BEPT進(jìn)行無線編程和維護(hù)，這一過程不需要任何電纜的插拔，這樣就提高了安全等級。無線編程有兩項主要功能，它可以讀寫和管理無源應(yīng)答器存儲的數(shù)據(jù)報文，也可以讀取制造商信息，包括制造商認(rèn)證、序列號等。

三、結(jié)語

“十一五”期間，我國計劃建設(shè)京滬、京廣、京哈、沈大、隴海等客運(yùn)專線以及一大批城市、城際軌道交通系統(tǒng)等重大鐵路建設(shè)項目。此外，為應(yīng)對當(dāng)前全球性金融危機(jī)的沖擊，國家出臺了強(qiáng)有力的擴(kuò)大內(nèi)需的舉措，重中之中就是加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，我國的鐵路建設(shè)將實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。因此，廣闊的市場空間再加上日趨成熟的技術(shù)，將使得RFID系統(tǒng)在鐵路建設(shè)以及國民經(jīng)濟(jì)的其他領(lǐng)域中扮演越來越重要的角色。